XRISM ujawnił strukturę, ruch i temperaturę materiału wokół supermasywnego czarna dziura oraz w pozostałości po supernowej z niespotykaną dotąd szczegółowością.
Teleskop kosmiczny XRISM naświetlił złożoną dynamikę zjawisk niebieskich, takich jak supernowe i czarne dziury, ujawniając temperaturę, prędkość i trójwymiarowe struktury otaczających je materiałów. W szczególności zbadano pozostałość po supernowej N132D w Wielkim Obłoku Magellana i supermasywną czarną dziurę w NGC 4151, dostarczając niespotykanych dotąd szczegółów na temat ich wewnętrznych ruchów i struktur.
Niebiańskie zjawiska i pierwsze odkrycia XRISM
Co mają wspólnego gigantyczna czarna dziura i pozostałości masywnej, eksplodowanej gwiazdy? Obydwa są dramatycznymi zjawiskami niebieskimi, w których niezwykle gorący gaz wytwarza wysokoenergetyczne światło rentgenowskie, które może zobaczyć Misja Obrazowania i Spektroskopii Rentgenowskiej (XRISM).
W swoich pierwszych opublikowanych wynikach misja XRISM pod przewodnictwem Japońskiej Agencji Badań Kosmicznych (Japan Aerospace Exploration Agency)JAXA) z udziałem Europejska Agencja Kosmiczna (ESA), pokazuje swoje unikalne możliwości ujawniania prędkości i temperatury skwierczącego gorącego gazu, tzw osoczeoraz trójwymiarowe struktury materiału otaczającego czarną dziurę i eksplodowaną gwiazdę.
„Te nowe obserwacje dostarczają kluczowych informacji pozwalających zrozumieć, w jaki sposób czarne dziury rosną poprzez przechwytywanie otaczającej materii, a także oferują nowy wgląd w życie i śmierć masywnych gwiazd. Pokazują wyjątkowe możliwości misji w zakresie badania wysokoenergetycznego Wszechświata” – mówi Matteo Guainazzi, naukowiec projektu ESA XRISM.
Spostrzeżenia z pozostałości po supernowej N132D
W jednej ze swoich obserwacji „pierwszego światła” XRISM skupił się na N132D, pozostałości po supernowej zlokalizowanej w Wielkim Obłoku Magellana, około 160 000 lat świetlnych od Ziemi. Ten międzygwiazdowy „bąbel” gorącego gazu został wyrzucony w wyniku eksplozji bardzo masywnej gwiazdy około 3000 lat temu.
Korzystając ze swojego instrumentu Resolve, XRISM szczegółowo odkrył strukturę wokół N132D. Wbrew wcześniejszym przypuszczeniom o prostej kulistej skorupie naukowcy odkryli, że pozostałość N132D ma kształt pączka. Korzystając z efektu Dopplera, zmierzyli prędkość (prędkość), z jaką gorąca plazma pozostałości porusza się w kierunku do nas lub od nas, i ustalili, że rozszerza się ona z pozorną prędkością około 1200 km/s.
Resolve ujawniło również, że pozostałość zawiera żelazo o niezwykłej temperaturze 10 miliardów stopni Kelvina. Atomy żelaza zostały ogrzane podczas eksplozji supernowej w wyniku rozprzestrzeniania się do wewnątrz gwałtownych fal uderzeniowych. Jest to zjawisko przewidywane przez teorię, ale nigdy wcześniej nie zaobserwowane.
Pozostałości po supernowych, takie jak N132D, zawierają ważne wskazówki dotyczące ewolucji gwiazd oraz tego, w jaki sposób (ciężkie) pierwiastki niezbędne do życia, takie jak żelazo, powstają i rozprzestrzeniają się w przestrzeni międzygwiazdowej. Jednak poprzednie obserwatoria rentgenowskie zawsze miały trudności ze stwierdzeniem rozkładu prędkości i temperatury plazmy.
U góry zdjęcia pozostałość po supernowej pokazana jest w świetle rentgenowskim. Żółte kółko przedstawia obszar, w którym instrument XRISM Resolve dokonał pomiaru niezwykle gorącego żelaza (10 miliardów stopni Kelvina). Różowa linia pokazuje brzeg pozostałości, gdzie fala uderzeniowa oddziałuje z ośrodkiem międzygwiazdowym, a gorący gaz (plazma) jest chłodniejszy (około 10 milionów stopni Kelvina).
Widmo pokazuje wiele pierwiastków chemicznych występujących w N132D. XRISM może zidentyfikować każdy pierwiastek, mierząc energię fotonu rentgenowskiego specyficznego dla różnych atomów. Etykieta „keV” na osi x wykresu odnosi się do kiloelektronowoltów, jednostki energii. „Rozdzielczość energetyczna” XRISM, czyli jego zdolność do rozróżniania światła rentgenowskiego o różnych długościach fal, jest przełomowa. Dzięki 30-krotnie większej rozdzielczości w porównaniu do swoich poprzedników zaawansowane możliwości spektroskopowe XRISM umożliwiają naukowcom pomiar ruchu i temperatury gorącej plazmy z niespotykaną precyzją.
Źródło: JAXA
Odkrywanie tajemnic supermasywnej czarnej dziury
XRISM rzucił także nowe światło na tajemniczą strukturę otaczającą supermasywną czarną dziurę. Koncentrując się na galaktyce spiralnej NGC 4151, znajdującej się 62 miliony lat świetlnych od nas, obserwacje XRISM oferują bezprecedensowy widok materiału bardzo blisko centralnej czarnej dziury galaktyki, która ma masę 30 milionów razy większą od Słońca.
XRISM uchwycił rozkład materii krążącej i ostatecznie opadającej do czarnej dziury na szerokim promieniu, rozciągającym się od 0,001 do 0,1 roku świetlnego, czyli z odległości mniej więcej porównywalnej z separacją Słońca od Urana, nawet 100-krotną.
Określając ruchy atomów żelaza na podstawie ich sygnatury rentgenowskiej, naukowcy sporządzili mapę sekwencji struktur otaczających gigantyczną czarną dziurę: od dysku „zasilającego” czarną dziurę aż do torusa w kształcie pączka.
Odkrycia te stanowią istotny element układanki pozwalającej zrozumieć, w jaki sposób czarne dziury rosną, pożerając otaczającą materię.
Chociaż obserwacje radiowe i podczerwone ujawniły obecność torusa w kształcie pączka wokół czarnych dziur w innych galaktykach, technika spektroskopowa XRISM jest pierwszą i obecnie jedyną metodą śledzenia kształtu i ruchu gazu w pobliżu centralnego „potwora”.
Patrząc w przyszłość: przyszłe obserwacje i odkrycia
W ciągu ostatnich miesięcy zespół naukowy XRISM pilnie pracował nad ustaleniem wydajności instrumentów i udoskonaleniem metod analizy danych, obserwując 60 kluczowych celów. Równolegle wybrano 104 nowe zestawy obserwacji spośród ponad 300 propozycji przesłanych przez naukowców z całego świata.
XRISM przeprowadzi obserwacje w oparciu o wybrane propozycje w ciągu następnego roku; dzięki wyjątkowej wydajności na orbicie, przekraczającej nawet początkowe oczekiwania, zapowiada to wiele innych ekscytujących odkryć w przyszłości.
O firmie XRISM
Misja obrazowania i spektroskopii rentgenowskiej (XRISM) wystartowała 7 września 2023 r. Jest to wynik współpracy Japońskiej Agencji Badań Kosmicznych (JAXA) i NASAprzy znaczącym udziale ESA. W zamian za zapewnienie sprzętu i doradztwa naukowego ESA otrzymuje 8% dostępnego czasu obserwacji XRISM.
Obserwacje wykonane za pomocą XRISM uzupełnią obserwacje wykonane za pomocą teleskopu rentgenowskiego XMM-Newton należącego do ESA i będą doskonałą podstawą do obserwacji planowanych w ramach przyszłej misji dużej klasy ESA NowaAtena. Ten ostatni projekt ma znacznie przewyższać możliwości naukowe istniejących obserwatoriów spektroskopowych i przeglądowych obserwatoriów rentgenowskich.
Wyniki uzyskane przez współpracę XRISM zostały zaakceptowane do publikacji w czasopiśmie Towarzystwo Astronomiczne Japan i The Dziennik astrofizyczny.
Referencje:
„Spektroskopia XRISM linii emisyjnej Fe Kα w teleskopie Seyfert AGN NGC 4151 ujawnia dysk, obszar szerokiej linii i torus” autorstwa XRISM Collaboration, zaakceptowano, Towarzystwo Astronomiczne JapaN.
arXiv:2408.14300
„Obserwacja pierwszego światła XRISM: Struktura prędkości i właściwości termiczne pozostałości po supernowej N132D” autorstwa XRISM Collaboration, zaakceptowano, Dziennik astrofizyczny.
arXiv:2408.14301
